Semiconductor-nanoantenna-assisted solar absorber untuk perangkap cahaya ultra-broadband

Hasil dan Diskusi

Gambar 1b menunjukkan spektrum penyerapan dari penyerap yang dioptimalkan pada kejadian normal (ditandai dengan "Penyerap", garis hitam). Sebagai perbandingan, spektrum penyerapan struktur MSM (ditandai dengan "MSM," garis merah) dan struktur MSM yang hanya dilapisi oleh nanoantennas GaAs (ditandai dengan "Struktur tanpa lapisan ITO," garis biru) juga ditunjukkan pada Gambar. 1b. Untuk struktur dengan struktur film tiga lapis MSM sederhana, penyerapannya kurang dari 70%. Ketika array periode nanoantenna GaAs ditempatkan pada struktur MSM, pita serapan ultra lebar dengan penyerapan yang diperkuat dari 657 hingga 2679 nm tercapai. Ini menunjukkan bahwa susunan nanoantenna GaAs di sini bertanggung jawab atas penyerapan yang kuat dalam rentang panjang gelombang yang luas. Perhatikan bahwa intensitas serapan pada kisaran 991–1455 nm dan 2004–2388 nm masih kurang dari 90%. Untuk penyerap yang diusulkan, susunan nanoantenna ITO setebal 80 nm yang diperkenalkan semakin memperkuat penyerapan dan memperbesar pita serapan. Dengan memperhitungkan A> 90%, fenomena absorpsi ultra lebar ditemukan dengan bandwidth absorpsi hingga 2402 nm yang mencakup daerah inframerah tampak, dekat, dan tengah (468–2870 nm). Rata-rata penyerapannya meningkat hingga 95,5%. Itu karena lapisan ITO setebal 80 nm memainkan peran anti-refleksi, yang selanjutnya dapat memperkuat efek anti-reflektif dari nanoantena GaAs. Selain itu, lapisan ITO setebal 80 nm cukup tinggi untuk memungkinkan resistansi lembaran rendah, sehingga kehilangan transpor lateral pembawa yang rendah lebih dari ratusan mikron ke kontak logam lateral [35]. Akibatnya, peningkatan besar pada bandwidth penyerapan dan efisiensi penyerapan dicapai, lebih besar dari peredam berdasarkan sistem komposit logam-semikonduktor mulia [32,33,34,35,36,37]. Penyerapan yang sangat besar terutama berasal dari eksitasi GMR dan mode rongga dan efek kopling hibridisasinya [18].

Distribusi medan elektromagnetik (|E | dan |H |) dan rapat arus (J ) penyerap ini pada panjang gelombang yang berbeda (yaitu, 594 nm, 1430 nm, dan 2586 nm) diselidiki. Pada 594 nm, energi medan listrik terutama terkonsentrasi pada antarmuka nanoantenna-udara, dan energi medan magnet yang kuat terletak di nanoantenna GaAs dan lapisan ITO (Gbr. 2a, b). Ini menunjukkan GMR dan mode rongga menjadi bersemangat [18, 26]. Arus listrik di nanoantennas GaAs (Gbr. 2c) menegaskan efektivitas nanoantennas GaAs untuk peningkatan penyerapan ini [48, 49]. Pada 1430 nm, medan listrik yang kuat terutama ada di celah udara di dekat antena nano (Gbr. 2d) yang menyiratkan mode rongga tereksitasi [18, 26]. Pada Gambar 2e, energi medan magnet terletak di antarmuka film nanoantenna-Ti GaAs, menunjukkan bahwa GMR tereksitasi dan mode rongga keduanya berkontribusi pada cahaya yang digabungkan ke dalam struktur dan selanjutnya menggairahkan SPP di dekat antarmuka GaAs film-Ti film [9, 18, 20, 39]. Arus listrik yang didistribusikan dalam film Ti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f memberikan bukti kuat bahwa cahaya datang secara penuh digabungkan ke dalam struktur. Pada 2586 nm, energi elektromagnetik terutama terletak di celah antara antena nano dan pada antarmuka film nanoantenna-Ti GaAs dan film GaAs film-W (Gbr. 2g, h), dan arus listrik terutama didistribusikan di permukaan atas film W (Gbr 2i). Ini sekali lagi menunjukkan cahaya yang digabungkan ke dalam lapisan yang mendasari struktur dengan mode GMR, SPP, dan rongga. Oleh karena itu, disimpulkan bahwa eksitasi GMR, SPP, dan rongga serta sinerginya menghasilkan pita lebar dan penyerapan yang hampir sempurna [18].

Medan listrik |E |, medan magnet |H | distribusi, dan kerapatan arus J pada 594 nm (a –c ), 1430 nm (b –f ), dan 2586 nm (g –i ), masing-masing

Dalam aplikasi praktis dari peredam surya, penyerapan cahaya harus kurang sensitif terhadap datang dan sudut polarisasi [2, 3, 6, 18, 20]. Namun, sebagian besar absorber berbasis material GaAs jarang melibatkan eksplorasi sudut polarisasi dan sudut datang [36, 39]. Gambar 3a menunjukkan evolusi penyerapan untuk penyerap surya yang diusulkan di bawah polarisasi TM dengan iradiasi miring. Jelas, efek penyerapan hampir kuat dalam kisaran 468–3000 nm dengan sudut datang hingga 55 ° dan hanya sedikit penurunan panjang gelombang di wilayah inframerah tengah. Pita serapan akan sangat berkurang karena sudut datang lebih dari 55°. Gambar 3b menunjukkan penyerapan cahaya di bawah keadaan polarisasi yang berbeda, di mana 0° sesuai dengan polarisasi TM dan 90° sesuai dengan polarisasi transversal-listrik (TE). Diamati bahwa penyerapan dapat dipertahankan dengan sempurna di wilayah panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih panjang (468–1010 nm dan 1800–3000 nm) ketika sudut polarisasi meningkat dari 0 hingga 90°. Meskipun penyerapan menurun di daerah inframerah-dekat, masih di atas 50%. Secara keseluruhan, ketidakpekaan sudut dan terpolarisasi dari penyerapan harus dikaitkan dengan pencocokan yang baik dari impedansi dan kerugian intrinsik [18, 19].

Pemetaan penyerapan penyerap surya di bawah sudut datang yang dapat disetel (a ) dan status polarisasi (b )

Kami selanjutnya melakukan penyelidikan penyerapan matahari dengan menempatkan penyerap yang dioptimalkan di bawah iluminasi sumber AM 1.5. Penyerap matahari menunjukkan penyerapan yang hampir sempurna di daerah inframerah tampak, dekat, dan tengah, yang mencakup daerah distribusi energi iradiasi matahari utama (Gbr. 4a). Karena beberapa keadaan resonansi terjadi secara bersamaan, energi matahari yang hampir menyatu ditangkap oleh penyerap. Ini menunjukkan efisiensi penyerapan energi matahari yang tinggi dalam struktur seperti itu. Selain itu, bahan tahan api yang digunakan dalam penyerap ini berkontribusi untuk menjaga stabilitas termal struktur ini ketika suhu meningkat pada kisaran tertentu. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa absorber yang kami usulkan memiliki aplikasi yang lebih luas pada perangkat fotolistrik [50].

a Spektrum standar pancaran sinar matahari AM 1.5 dan spektrum serapan energi matahari dari solar absorber di bawah AM 1.5. b Energi yang diserap dan dilewatkan dari penyerap surya dalam rentang spektrum penuh pancaran sinar matahari

Seperti dilaporkan dalam [36], rapat arus hubung singkat J _sc untuk penerangan matahari AM1.5 dijelaskan oleh \( {J}_{\mathrm{sc}}={\int}_{400\ \mathrm{nm}}^{3000\ \mathrm{nm}}\frac{ e\lambda}{hc}{\Phi}_{\mathrm{AM}1.5}\left(\lambda \right)\mathrm{A}\left(\lambda \right), \) di mana e adalah muatan elektron, h adalah konstanta Planck, λ adalah panjang gelombang cahaya, _AM1.5 (λ) adalah pancaran matahari pada AM 1.5, A(λ ) adalah penyerapan, dan c adalah kecepatan cahaya. Di sini, kami menyelidiki rapat arus hubung singkat dengan mengubah ketebalan nanoantena GaAs dengan parameter lain yang tidak berubah. Ketika t ₂ disetel dari 30 hingga 210 nm dengan langkah 30 nm, arus foto yang dikumpulkan diturunkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Keteraturan yang kuat dengan ketebalan t ₂ diperoleh karena J _sc terutama bergantung pada jumlah mode resonansi dalam kisaran 300–3000 nm. Maksimum J _sc sama dengan 61.947 mA/cm ² diperoleh ketika t ₂ =120 nm, yang jauh lebih besar dari yang dilaporkan oleh Meng et al. (30.3 mA/cm ² ) [35].

Densitas arus hubung singkat dengan ketebalan antena nano GaAs di bawah cahaya terpolarisasi TM